牛 勇，張營杰，衛(wèi)凌云，范玉林，房志遠，馮東曉

(金屬擠壓/鍛造裝備技術(shù)國家重點實驗室，中國重型機械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，交通運輸、船舶動力、電力電器和機械制造等行業(yè)對大型自由鍛件的質(zhì)量提出了更高的要求，對于高精度高強度難變形合金長軸類鍛件的需求進一步加大。傳統(tǒng)的自由鍛造裝備包括鍛錘、鍛造壓力機等均利用上下型砧對坯料加載，坯料變形受鍛造溫度、鍛造速度的影響，在不同的鍛造工步出現(xiàn)不同的截面形狀和軸向變化，無法準確控制，嚴重影響著鍛造過程自動化的實現(xiàn)，無法高效快捷地鍛造出高精度、高強度大尺寸難變形軸類零件［1-6］。

在傳統(tǒng)自由鍛造壓機上采用四錘頭徑向鍛造裝置進行徑向鍛造是一種全新的自由鍛造工藝，對長軸類鍛件的鍛造而言，坯料軸向截面變化有規(guī)律、軸向變化可預(yù)測，易于實現(xiàn)自動化控制;坯料變形過程中承受三向壓應(yīng)力，可以提高坯料塑性，改善成形鍛件內(nèi)部微觀組織;可以減少鍛造加熱火次、提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源，特別適用于極端環(huán)境下使用的高強度難變形合金軸類件的鍛造［7］。

本文討論了四錘頭徑向鍛造裝置組成及技術(shù)特點，采用有限元分析軟件ABAQUS建立了25 MN四錘頭徑向鍛造裝置受力分析模型，并對計算結(jié)果進行了討論。

1 四錘頭徑向鍛造裝置組成及技術(shù)特點

1.1 四錘頭徑向鍛造裝置組成

圖1所示為一四錘頭徑向鍛造裝置，包括上砧座、下砧座、側(cè)砧座、垂頭、回程導軌、潤滑系統(tǒng)和錘頭冷卻系統(tǒng)等。加載時，上砧座在壓機作用下帶動錘頭向下運動，側(cè)砧受上砧座和下砧座作用力向下向中心方向運動對坯料進行加載;回程時，壓機帶動上砧座向上運動，側(cè)砧座沿回程導軌向上同時向兩側(cè)運動，圖2所示為該裝置原理。

1.2 四錘頭徑向鍛造裝置技術(shù)特點

(1)鍛件質(zhì)量高。采用四錘頭鍛造裝置上進行鍛造時，鍛件整個截面會產(chǎn)生大的變形量，可以消除金屬鑄造組織的內(nèi)部缺陷;金屬表面處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可以減少表面缺陷，增加合格鍛件的產(chǎn)出量。

(2)生產(chǎn)效率高。采用四錘頭鍛造裝置上進行鍛造時，坯料軸向截面變化有規(guī)律、軸向變化可預(yù)測，易于實現(xiàn)自動化控制;單次加載金屬塑性變形量大，這使得金屬能夠在最佳溫度范圍進行鍛造，減少加熱火次;與兩錘頭鍛造相比，采用四錘頭可以提高生產(chǎn)效率38%［7］。

2 25 MN四錘頭徑向鍛造裝置受力分析

2.1 有限元模型的建立

采用ABAQUS軟件建立有限元模型一般包括幾何模型建立、材料屬性定義、網(wǎng)格劃分、分析步建立、邊界條件和載荷確定、計算以及結(jié)果處理等。根據(jù)理論分析，25 MN四錘頭徑向鍛造裝置上下砧座A、B、C、D四處為應(yīng)力較高區(qū)域;壓機達到滿噸位，側(cè)砧座離中心最遠時應(yīng)力值最大，針對該工況對該裝置進行靜態(tài)受力分析，采用ABAQUS幾何建模模塊建立了該裝置幾何模型，如圖3所示。網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接影響求解精度和求解時間，不合理的網(wǎng)格甚至會導致求解過程的中斷，所以網(wǎng)格劃分應(yīng)該是分析過程中需要重點注意的一個環(huán)節(jié)。運用ABAQUS強大而便捷的網(wǎng)格劃分功能，通過在模型上設(shè)置全局種子的方法合理地控制網(wǎng)格密度，在應(yīng)力集中部位進行網(wǎng)格細分。ABAQUS軟件提供了數(shù)量眾多的單元種類以滿足各種分析類型的需要，模型采用C3D8R單元，即8節(jié)六面體線性減縮積分單元，在應(yīng)力集中部位進行網(wǎng)格細化。

根據(jù)幾何模型和受力狀況的對稱性，取1/4模型進行有限元計算。根據(jù)實際工作情況，在對稱面進行對稱約束，在上下砧座和側(cè)砧接觸區(qū)域定義接觸，在上下砧座與壓機接觸區(qū)域進行Y向約束，在錘頭與鍛件接觸面施加面壓力，如圖3所示。

圖3 四錘頭徑向鍛造裝置有限元模型Fig.3 FEM of radial forging device with four dies

2.2 結(jié)果分析與討論

應(yīng)力分布云圖如圖4所示。分析表明，上下砧座A、B、C、D四處為應(yīng)力較大部位，上砧座A出最大應(yīng)力為283 MPa，B處最大應(yīng)力為177 MPa，下砧座C處應(yīng)力為215 MPa，D處應(yīng)力為115 MPa，其他部位應(yīng)力都低于100 MPa?？紤]上下砧座選用的材料和制造工藝，上下砧座設(shè)計滿足要求。

圖4 應(yīng)力分布云圖Fig.4 Nephogram of stress distribution

裝置的剛度影響成形鍛件的精度，該裝置位移分布云圖如圖5所示。分析表明，加載時，側(cè)砧橫向移動1.4 mm，剛度滿足設(shè)計要求。

圖5 位移分布云圖Fig.5 Nephogram of displacement distribution

3 結(jié)論

在傳統(tǒng)自由鍛造壓機上采用四錘頭徑向鍛造裝置進行徑向鍛造是一種全新的自由鍛造工藝。本文討論了四錘頭徑向鍛造裝置組成及技術(shù)特點，以ABAQUS有限元分析軟件為平臺，建立了25 MN四錘頭徑向鍛造裝置受力分析模型，并對計算結(jié)果進行了討論。結(jié)果表明，該裝置的設(shè)計滿足強度和剛度要求。

［1］高峰，郭為忠，宋清玉，等.重型制造裝備國內(nèi)外研究與發(fā)展［J］.機械工程學報，2010，46(19):92－107.

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［3］徐宇謹，韓大衛(wèi)，黃新，等.快速鍛造油壓機組主機結(jié)構(gòu)形式與選型［J］.重型機械，2004(6):45－47.

［4］李貴閃，何曉燕，榮兆杰.我國液壓機行業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2006(4):17－19.

［5］高俊峰.我國快鍛液壓機的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］.鍛壓技術(shù)，2008(6):1－5.

［6］范玉林，張營杰，衛(wèi)凌云，等.45/50 MN快鍛油壓機本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析［J］.鍛壓裝備與制造技術(shù)，2011(4):24－26.

［7］王玉寶，任勝利.四錘頭鍛造原理及實施效果分析［J］.大型鑄鍛件，2012(1):44－47.